謝茂青，王雷剛，彭鵬，楊國盛，張嘉浩

礦用卡車離合器用鋅鎢合金增強銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損性能

謝茂青1, 2，王雷剛1，彭鵬3，楊國盛3，張嘉浩4

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 2120013；2. 浙江鐵流離合器股份有限公司，杭州 311101；3. 南通萬達摩擦材料有限公司，南通 226622；4. 合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

在現(xiàn)有銅基粉末冶金摩擦材料配方中加入Zn-W合金，設(shè)計不同鋅鎢合金含量(Zn-W)以及不同壓制密度，制備礦用卡車離合器用銅基摩擦材料，分析和測試材料的組織與摩擦磨損性能，并進行能量/功率等級遞增試驗和臺架試驗。結(jié)果表明：銅基摩擦材料的表面硬度隨(Zn-W)增加而下降，隨致密度增加而升高；摩擦因數(shù)隨(Zn-W)增加而增大，隨致密度增加而減小。(Zn-W)為6%、且致密度比現(xiàn)有配方的銅基摩擦片致密度提高10%的銅基摩擦片具有合適的表面硬度和動/靜摩擦因數(shù)以及較好的耐磨性能，并能降低汽車的噪聲、振動及聲振粗糙度，比不添加鋅鎢合金的銅基摩擦片的能量輸出提高2級，可承受第6級能量輸出(753.16 J/cm2)，主要性能略高于國外進口銅基摩擦片。

鋅鎢合金；密度；銅基摩擦材料；摩擦性能；臺架試驗

世界上三大汽車離合器制造國，日本、法國、德國的礦用卡車離合器均采用鐵基、鐵?銅基粉末冶金摩擦材料。日本的三部隆宏等[1?2]專家經(jīng)研究得出：銅基粉末冶金摩擦材料比鐵基材料具有更好的綜合性能，且具有優(yōu)異的傳動效果。銅基摩擦材料具有良好的導(dǎo)熱性能、高而穩(wěn)定的摩擦因數(shù)以及較好的耐磨性能，廣泛應(yīng)用于飛機、高鐵、風(fēng)力發(fā)電、高負荷重載應(yīng)用工況車輛的傳動系統(tǒng)和制動裝置中[3?5]。在開發(fā)高性能粉末冶金摩擦材料方面，我國已做了大量研究[6?9]，研究了鐵基和鐵?銅基粉末冶金摩擦材料，但對銅基粉末冶金摩擦材料在礦用卡車上的應(yīng)用研究較少。礦用卡車離合器所采用的國產(chǎn)銅基粉末冶金摩擦片，由于材料耐熱性差導(dǎo)致失效頻繁，維修量大幅提高[10]。目前國外主流礦用卡車離合器的銅基摩擦材料供應(yīng)商為美國卡萊公司[11?13]，材料的動摩擦因數(shù)為0.52～0.60，靜摩擦因數(shù)為0.55～0.65，能量密度為780 J/cm2，功率密度為485 W/cm2，表面洛氏硬度為60～100 (R15X)。離合器要求摩擦材料的動靜摩擦因數(shù)接近，能量密度和功率密度均較高。礦用卡車離合器用銅基粉末冶金摩擦材料以銅及銅合金為基體，添加錫、鋅、鐵以及摩擦性能調(diào)節(jié)組元。國內(nèi)外對材料配方組元的研究主要集中在單一組元元素[14]，而合金組分對銅基粉末冶金摩擦材料性能影響的研究較少[15?17]。本文作者在銅基粉末冶金摩擦材料配方中添加Zn-W合金，以期通過鋅元素與銅元素形成銅鋅合金來降低材料的硬度，增大摩擦因素，并利用鎢元素改善機體材料本身的耐熱性，從而提高銅基摩擦材料的綜合性能。并通過工藝控制來改變材料的致密度，研究鋅鎢合金含量及材料致密度對摩擦磨損性能的影響，通過能量/功率等級遞增試驗和臺架試驗，測定摩擦片離合器的性能，并與國外進口件進行對比，為提高國產(chǎn)礦用卡車離合器摩擦片的綜合性能提供理論依據(jù)和工藝指導(dǎo)。

1 實驗

1.1 原材料

銅粉、錫粉和鉛粉的粒度均小于45 μm，石墨粒度為150~600 μm，摩擦顆粒(主要成分為SiO2和Cr2O3)的粒度小于150 μm。Zn-W合金(Zn-W-S-C)粉末由美國Chemetall公司生產(chǎn)，型號SRL11，粒度小于45 μm，松裝密度約為3.0～3.2 g/cm3。鋅鎢合金粉末的主要成分列于表1。

1.2 銅基摩擦材料的制備

銅基摩擦材料的原有配方(質(zhì)量分數(shù))為：(Cu) 60%～65%、(Sn)8%～10%、(Pb)0～3%、(C) 4%～6%，摩擦顆粒16%～28%。在此配方中添加Zn-W合金(Zn-W-S-C)粉末，使材料中的(Zn-W)分別為2%、4%、6%和8%，相應(yīng)減少摩擦顆粒。每種成分的銅基摩擦材料均設(shè)計4種壓制密度，分別比原有配方的壓制密度(5.20 g/cm3)增加5%、10%、15%和20%，即壓坯密度分別為5.20、5.72、5.98和6.24 g/cm3，通過調(diào)整壓力制備不同密度的壓坯。表2所列為銅基粉末冶金摩擦材料的編號、(Zn-W)和壓制密度。

表1 鋅鎢合金粉末的成分

表2 銅基粉末冶金摩擦材料的編號、Zn-W合金含量和壓制密度

首先根據(jù)材料的設(shè)計配方稱取各種原料粉末，用V型混料機混合30 min。將混合粉末在液壓式壓力機上冷壓成礦用卡車離合器的摩擦片，壓制壓力為500～600 MPa，保壓時間為10 s。將壓制好的粉片與電鍍好的芯片(芯片基體材料為65Mn，表面鍍銅，厚度≥12 μm)通過定位孔組裝在一起，放入鐘罩式燒結(jié)爐中，通入N2與H2的混合氣體((N2):(H2)=9:1)，在880 ℃燒結(jié)，保溫3 h。待爐內(nèi)溫度降到400 ℃以下，吊開外罩，冷卻到室溫，得到一系列不同(Zn-W)和不同密度的銅基粉末冶金摩擦片。

1.3 性能測試

1.3.1 形貌觀察與硬度測試

用美國Leco公司的LR310型洛氏硬度計測定銅基粉末冶金摩擦材料的硬度，載荷為147 N。每個編號的樣品取1片，測量6個點，取平均值。采用LEO-1450型掃描電鏡(SEM)觀察材料的微觀組織和形貌。

1.3.2 摩擦性能測定

根據(jù)礦用卡車離合器對摩擦材料的要求，選取表面洛氏硬度(R15X)平均值不低于60的材料進行摩擦磨損性能測試。將摩擦片拼接成外徑為75 mm、內(nèi)徑為53 mm的圓環(huán)，鉚接在試驗環(huán)上，用MM3000型摩擦磨損性能試驗機進行摩擦實驗。試驗參數(shù)如下：摩擦凈面積22 cm2；轉(zhuǎn)動慣量0.1 kg?m2；對偶材料45#鋼；接合速度2 950 r/min；制動壓力0.5 MPa。連續(xù)制動100次，測定動摩擦因數(shù)的平均值。施加0.7 MPa壓力至自動盤打滑3次，測定平均靜摩擦因數(shù)。

1.3.3 能量/功率等級遞增試驗

按照JB/T7269—2011標準，對不滿足礦用卡車的平均動摩擦因數(shù)低于0.52、平均靜摩擦因數(shù)低于0.55要求的材料，不進行能量等級遞增試驗和高溫磨損率測試。用MM3000摩擦磨損性能試驗機進行能量/功率等級遞增試驗，試驗參數(shù)列于表3。通過增加轉(zhuǎn)動慣量和主軸轉(zhuǎn)速，提高輸入的能量密度等級，測定材料的臨界能量/功率密度。試樣凈面積為22 cm2，轉(zhuǎn)動慣量為0.1 kg?m2，每個能量密度下制動200次，若動摩擦因數(shù)在該能量等級下下降超過20%，則判定材料失效，臨界能量/功率密度為上一個能量密度等級。第6級能量和功率密度等級為國外產(chǎn)品達到多年使用的標準。礦車離合器用銅基摩擦材料最大能量和功率密度如果低于第6級，在實際使用時存在較大的“燒片”風(fēng)險。

1.3.4 耐磨性能測試

用MM3000摩擦磨損性能試驗機測定摩擦片的耐磨性能。每種材料依次在0.4、0.6、0.8和1.0 MPa壓力下制動2 000次，轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，轉(zhuǎn)動慣量0.1 kg?m2。在試樣上取均勻分布的3個點，在摩擦性能測試前后，用三豐293-100高精度數(shù)顯千分尺分別測試每個點所在位置的厚度，精確到0.001 mm，計算實驗后每個位置的厚度變化，即試樣的厚度磨損量，然后計算3個點厚度磨損量的平均值。

1.3.5 離合器摩擦性能臺架試驗

將制備的Zn-W合金增強銅基摩擦片和國外進口銅基摩擦片分別組裝成礦用卡車430離合器，委托浙江鐵流離合器股份有限公司進行離合器摩擦力矩臺架試驗和離合器摩擦片磨損性能臺架試驗。

1) 離合器摩擦力矩臺架試驗：包括靜摩擦力矩試驗和滑動摩擦力矩試驗，動、靜摩擦力矩的比值能反映離合器摩擦片的振顫抖動程度，也是汽車的重要衡量指標。摩擦力矩試驗條件為：摩擦片內(nèi)半徑和外半徑分別為120 mm和215 mm，摩擦片表面積為999.3 cm2；試驗前工作壓緊力為31.9 kN；試驗后工作壓緊力為30.5 kN。

靜摩擦力矩試驗：首先將離合器在試驗臺上進行磨合，磨合條件與試驗條件一致，磨合次數(shù)為1 000次，磨合時表面溫度不要超過100 ℃；在室溫條件下加載至打滑；然后讓磨合好的離合器在試驗臺上處于完全接合狀態(tài)，將主(或從)動部分固定，對從(或主)動部分緩慢加扭轉(zhuǎn)載荷，直至打滑，測量并記錄開始打滑時的扭矩。測量次數(shù)不少于3次，取算術(shù)平均值。實驗測得靜摩擦力矩為5 736 N·m；單位面積靜摩擦力矩2.87 N·m/cm2。

表3 能量/功率等級遞增試驗參數(shù)

動摩擦力矩試驗：首先將離合器在試驗臺上進行磨合，磨合條件與試驗條件一致，磨合次數(shù)為1 000次，磨合時表面溫度不超過100 ℃；從動盤總成固定不動，離合器蓋總成轉(zhuǎn)速為離合器摩擦片外徑處線速度為(17±0.5) m/s時的轉(zhuǎn)速；隨著強制滑磨的進行，摩擦表面溫度從室溫升至320 ℃。將磨合好的離合器安裝到試驗臺上；啟動試驗臺的控制裝置，按照以上磨合條件進行強制滑磨，直至溫度升高到320 ℃,直接獲得摩擦力矩隨溫度(或時間)的變化曲線。

2) 離合器摩擦片磨損性能臺架試驗：首先將離合器在試驗臺上進行磨合，磨合次數(shù)為1 000次，磨合時表面溫度不要超過100 ℃，模擬汽車連續(xù)起步；接合頻率為0.05～0.1Hz；摩擦表面溫度不超過160 ℃；試驗次數(shù)為4 000次。然后進行磨損性能臺架試驗，試驗條件與磨合條件相同。試驗前測量蓋總成的工作壓緊力為31 902 N，稱取從動盤總成的質(zhì)量和蓋總成的質(zhì)量為9 823.9 g；將離合器安裝于試驗臺上；按以上試驗條件接合離合器，待試驗臺主、從動部分同步之后，分離離合器、制動試驗臺從動部分至停止，完成一個循環(huán)。如此循環(huán)4 000次。最多每500次測量一次從動盤總成的質(zhì)量。試驗前后從動盤總成的質(zhì)量差即為磨損量。繪制磨損量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬度

表4所列為(Zn-W)對銅基粉末冶金摩擦材料硬度的影響。從表4看出：隨(Zn-W)增加，銅基摩擦材料的硬度降低。燒結(jié)過程中，Zn元素與Cu元素形成硬度較低的Cu-Zn合金，所以材料的硬度隨(Zn-W)增加而降低。從表4還看出，(Zn-W)相同的材料，密度越大，硬度越高。在礦用卡車離合器應(yīng)用中，較低硬度的銅基粉末冶金摩擦材料，有利于減少對偶件離合器壓盤以及發(fā)動機飛輪的損傷，嚙合過程也較平順，出現(xiàn)異響的概率較少[18]。然而硬度過低時，會導(dǎo)致銅基摩擦材料自身磨損較快。對于礦用卡車來講，表面洛氏硬度R15X值低于60的摩擦材料容易出現(xiàn)使用壽命過短的情況。(Zn-W)為8%的13#～16#材料硬度低于60，不符合硬度要求，所以不進行摩擦磨損 試驗。

2.2 顯微組織

圖1所示為不含鋅鎢合金的0#和(Zn-W)為6%的10#銅基摩擦材料的SEM形貌。圖1(a)所示0#材料中的灰色相為銅錫合金，孔隙率較低，有一定的硅/鉻等摩擦組元顆粒分布在其中；黑色相為片狀石墨，完整性較好，與銅錫合金界面明顯，但沒有明顯縫隙，在摩擦材料使用過程中石墨相能起到很好的潤滑作用。但又在一定程度上使得摩擦材料的摩擦因數(shù)很難提高。圖1(b)所示10#材料中，灰色相為銅錫合金，部分表面平整；黑色相為片狀石墨，平整性不如0#材料中的石墨相；亮色區(qū)域為銅鋅合金，其中含有一定量的鎢元素和硅/鉻等增摩顆粒。由于Cu-Zn合金的形成，使得材料表面粗糙，從而降低石墨的潤滑作用，在離合過程中獲得相對較高的摩擦因數(shù)。

圖2(a)和(b)所示分別為10#材料中Cu元素和W元素的面分布，可見鎢分布較均勻。鎢具有良好的導(dǎo)熱性能，均勻分布的鎢可提高Cu基摩擦材料的熱導(dǎo)率，在離合過程中能迅速地散熱，使得材料能夠承受更高的能量輸入，礦用卡車在長時間上/下坡時離合器使用更耐久。

表4 w(Zn-W)對銅基摩擦材料硬度的影響

圖1 0#和10#銅基摩擦材料的SEM形貌

圖2 10#材料中Cu元素與W元素的面分布

表5 銅基摩擦材料的平均摩擦因數(shù)

2.3 摩擦磨損性能

2.3.1 摩擦因數(shù)

表5所列為銅基摩擦材料的平均動摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)。對比表5和表4看出，材料的摩擦因數(shù)與硬度有一定的相關(guān)性：硬度較低的材料具有相對高的動/靜摩擦因數(shù)。其中4#～10#材料的平均動摩擦因數(shù)大于0.52，平均靜摩擦因數(shù)大于0.55，并且滿足硬度要求，可用作礦用卡車離合器的摩擦片。

2.3.2 臨界能量/功率密度和磨損率

分別對0#和4#～10#摩擦片進行能量/功率等級遞增試驗，0#在第5級能量/功率等級處失效，摩擦因數(shù)下降嚴重，試樣斷裂，如圖3(a)所示，從表3可知其臨界能量密度和臨界功率密度分別為504.18 J/cm2和336.12 W/cm2。4#～9#材料均在第6級能量/功率等級上失效，臨界能量密度和臨界功率密度分別為622.45 J/cm2和389.03 W/cm2，高于0#材料的臨界能量密度。美國卡萊公司S277配方的銅基摩擦材料的能量密度為780 J/cm2，功率密度為485 W/cm2，硬度為60～100(R15X)。4#～9#材料的臨界能量/功率密度雖與未添加Zn-W合金的0#材料相比有所提高，但與美國卡萊公司的材料相比，臨界能量/功率密度仍相對較低。10#材料((Zn-W)為6%，密度為5.72 g/cm3)在第7級能量/功率密度等級上失效，動摩擦因數(shù)下降超過20%，材料表面內(nèi)外圈均產(chǎn)生一定的“燒片”現(xiàn)象，如圖3(b)所示。

表6所列為10#銅基摩擦片和從美國進口的銅基摩擦片依次在0.4，0.6，0.8和1.0 MPa制動壓力下制動2 000次后總的厚度磨損量。從表6可知，10#摩擦片的厚度磨損量及其對偶件壓盤的厚度磨損量分別為0.065 mm和0.017 mm，進口摩擦片的厚度磨損量及其對偶壓盤的厚度磨損量分別為0.067 mm和0.018 mm，10#銅基摩擦片的耐磨性能略好于進口摩擦片。

圖3 0#和10#摩擦片在能量/功率等級遞增試驗后的形貌

2.4 離合器摩擦性能臺架試驗結(jié)果

2.4.1 摩擦力矩

把0#、10#銅基摩擦片和進口銅基摩擦片分別組裝成礦用卡車430離合器總成，進行摩擦力矩臺架試驗。表7所列為10#摩擦片離合器在不同實驗溫度下的摩擦力矩和單位面積的摩擦力矩，圖4所示為離合器的動摩擦力矩和摩擦因數(shù)隨溫度的變化曲線。按照QC/T27—2014汽車干摩擦式離合器總成臺架試驗方法中的規(guī)定，要求430離合器在250 ℃時單位面積滑動摩擦力矩不小于常溫時的70%；320 ℃的滑動摩擦力矩不小于常溫時的50%。從表5可知：10#摩擦片離合器在250 ℃時單位面積滑動摩擦力矩為1 846 N·m，是常溫下摩擦力矩2 254 N·m的82%；320℃的單位面積滑動摩擦力矩為1 827 N·m，是常溫摩擦力矩的81%，均高于國家行業(yè)標準。在銅基摩擦材料中加入Zn-W合金時，Zn元素與Cu形成的銅鋅合金可在一定程度上降低材料的硬度，增大摩擦因數(shù)，并且動摩擦因數(shù)與靜摩擦因數(shù)較接近，而摩擦因數(shù)增大能縮短離合器的打滑時間，減少離合器嚙合過程中的發(fā)熱。并且鎢元素能夠改善基體材料的耐熱性，使得材料能承受更高的能量等級和溫度。10#摩擦片離合器的動摩擦力矩與常溫滑動摩擦力矩非常接近，起步時離合器從靜止狀態(tài)到啟動狀態(tài)時的力矩變化非常小，從而使高溫傳動扭矩非常平穩(wěn)，不會產(chǎn)生扭矩傳遞突變而引起汽車振顫。

2.4.2 耐磨性能

離合器摩擦性能臺架試驗中摩擦片的磨損量直接反映摩擦片的耐磨性能和離合器使用壽命。對10#銅基摩擦片離合器進行1 000次循環(huán)和4 000次循環(huán)試驗。試驗前從動盤總質(zhì)量為9 823.9 g。表8所列為離合器從動盤總成的質(zhì)量磨損量隨循環(huán)次數(shù)的變化，圖5所示為離合器從動盤的質(zhì)量磨損量隨試驗次數(shù)的變化。按照QC/T27—2014汽車干摩擦式離合器總成臺架試驗方法中的規(guī)定，該430離合器經(jīng)過1 000次離合循環(huán)后，允許磨損量應(yīng)小于12.5 g；經(jīng)過4 000次離合循環(huán)，允許磨損量應(yīng)符合小于49 g。從表8可知：10#銅基摩擦片離合器在1 000次循環(huán)后，質(zhì)量磨損量為8.1 g，4 000次循環(huán)后的磨損量為44.3 g，符合有關(guān)標準的規(guī)定。

表6 10#銅基摩擦片和進口片的耐磨性能

表7 10#銅基摩擦片離合器的動摩擦力矩

圖4 10#銅基摩擦片離合器的動摩擦力矩與摩擦因數(shù)曲線

同時對0#和10#進口銅基摩擦片離合器進行1 000次循環(huán)和4 000次循環(huán)離合器摩擦片磨損性能試驗，表9所列為1 000次和4 000次循環(huán)后，離合器從動盤的質(zhì)量磨損量。由表9可知，10#摩擦片的質(zhì)量磨損量低于0#和進口摩擦片的磨損量。這是因為10#銅基摩擦片的表面硬度適中，R15X為66；同時其動摩擦因數(shù)大于0.52，能夠很好地傳遞扭矩；并且10#銅基摩擦片的密度比0#大10%，使其耐磨性能提升。

表8 10#銅基摩擦片離合器從動盤的質(zhì)量磨損量隨離合次數(shù)的變化

圖5 10#銅基摩擦片離合器的質(zhì)量損失量隨離合次數(shù)的變化曲線

表9 0#、10#和進口銅基摩擦片離合器在1 000次和4 000次離合循環(huán)后的質(zhì)量磨損量

綜合離合器的臺架試驗結(jié)果，(Zn-W)為6%的10#銅基摩擦片具有較好的綜合性能，具有適中的硬度，能減少離合器對偶件壓盤和發(fā)動機飛輪的損傷；提高其密度可減少摩擦片自身的磨損，延長離合器使用壽命；另外其動摩擦力矩與常溫滑動摩擦力矩差異小，使得離合器接合平順，出現(xiàn)異響的概率降低。

3 結(jié)論

1) 在銅基粉末冶金摩擦材料中添加Zn-W合金制備礦用卡車離合器用鋅鎢合金增強銅基摩擦片，可有效提高材料的動/靜摩擦因數(shù)，也可提高銅基粉末冶金摩擦材料的能量/功率輸入條件。

2)(Zn-W)為6%和壓制密度提高10%的10#銅基摩擦片，具有最高的能量/功率等級。其臨界能量/功率等級是第6級，能量密度和功率密度分別為753.15 J/cm2和470.73 W/cm2。

3) 10#銅基摩擦片在離合器摩擦力矩臺架試驗中，320 ℃時單位面積滑動摩擦力矩為1 827 N·m，是常溫摩擦力矩2 254 N·m的81%，高于國家行業(yè)標準(70%)；對10#銅基摩擦片離合器進行4 000次循環(huán)后，離合器摩擦片的質(zhì)量磨損量為44.3 g，低于國家行業(yè)標準規(guī)定的49 g，也低于進口摩擦片的質(zhì)量磨損量46.6 g。

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Friction and wear properties of PM Zn-W alloy reinforcing copper-based friction material for mining truck clutches

XIE Maoqing1, 2, WANG Leigang1, PENG Peng3, YANG Guosheng3, ZHANG Jiahao4

(1. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. Zhejiang Tieliu Clutch Co., Ltd., Hangzhou 311101, China;3. Nantong Wanda Friction Material Co., Ltd., Nantong 226611, China;4. School of electrical and Automation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The copper baseed friction materials for mine truck clutch were prepared by adding Zn-W alloy into the existing copper base powder metallurgy friction material formulation, with different Zn-W alloy content and different pressing density. The microstructure and friction and wear properties of the materials were analyzed and tested, and the incremental energy/power level test and bench test were carried out. The results show that the surface hardness of Cu based friction materials decreases with the increase of Zn-W alloy content and increases with the increase of density. The friction coefficient increases with the increase of Zn-W alloy content and decreases with the increase of density. The copper based friction plate with mass fraction of 6%Zn-W alloy and 10% higher density has suitable surface hardness, dynamic/static friction coefficient and good wear resistance, and can reduce the noise, vibration and acoustic vibration roughness of automobile. Compared with the friction plate without Zn-W alloy, the energy output of the friction plate can be increased by two levels, and the sixth level energy output (753.16 J/cm2) can be sustained. The main performance of the friction plate is slightly higher than that of the imported copper based friction plate.

Zn-W alloy; density; copper-based friction material; friction property; bench test

TB36

A

1673-0224(2020)05-440-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(51775249)

2020?07?26；

2020?08?01

王雷剛，教授，博士。E-mail: lgwang@ujs.edu.cn

(編輯 湯金芝)